从epoll构建muduo-10 Timer定时器

mini-muduo版本传送门
version 0.00 从epoll构建muduo-1 mini-muduo介绍
version 0.01 从epoll构建muduo-2 最简单的epoll
version 0.02 从epoll构建muduo-3 加入第一个类，顺便介绍reactor
version 0.03 从epoll构建muduo-4 加入Channel
version 0.04 从epoll构建muduo-5 加入Acceptor和TcpConnection
version 0.05 从epoll构建muduo-6 加入EventLoop和Epoll
version 0.06 从epoll构建muduo-7 加入IMuduoUser
version 0.07 从epoll构建muduo-8 加入发送缓冲区和接收缓冲区
version 0.08 从epoll构建muduo-9 加入onWriteComplate回调和Buffer
version 0.09 从epoll构建muduo-10 Timer定时器
version 0.11 从epoll构建muduo-11 单线程Reactor网络模型成型
version 0.12 从epoll构建muduo-12 多线程代码入场
version 0.13 从epoll构建muduo-13 Reactor + ThreadPool 成型

mini-muduo v0.09版本，实现了Timer定时器。mini-muduo完整可运行的示例可从github下载，使用命令git checkout v0.09可切换到此版本，在线浏览此版本到这里。

这个版本是一个里程碑版本，到这个版本为止，可以说一个单线程的Reactor模式网络库基本成型，程序里的类各司其职，协同完成网络数据的首发。后续版本只是在此基础上增加了多个工作线程(耗费CPU或需要等待磁盘读写的线程)和多个IO线程(IO multiplexing 的那个线程，也就是跑select/poll/epoll的线程)。

1 原书中对Timer的介绍分布在两个地方，<<7.8定时器>>和<<8.2 TimerQueue定时器>>，作者在7.82节总结了选择timerfd来作为多线程服务器程序的定时器的原因：

    1 sleep(3)/alarm(2)/usleep(3)在实现时有可能用了SIGALRM信号， 在多线程程序中处理信号是个相当麻烦的事情，应当尽量避免

    2 nanosleep(2)和clock_nanosleep(2)是线程安全的，但是在非阻塞网络编程中，绝对不能用让线程挂起的方式来等待一段时间，这样一来程序会失去响应。正确的做法是注册一个时间回调函数。

    3 getitimer(2)和timer_create(2)也是用信号来deliver超时，在多线程程序中也会有麻烦。

    4 timerfd_create(2)把时间变成了一个文件描述符，该文件描述符在定时器超时的那一刻变得刻度，这样就能很方便的融入select(2)/poll(2)框架中，用统一的方式来处理IO时间和超时事件。

    5 传统的Reactor利用select(2)/poll(2)/epoll(4)/的timeout来实现定时功能，但poll(2)/和epoll_wait(2)的定时精度只有毫秒，远低于timerfd_settime(2)的定时精度。

2 有必要先看看最进本的timerfd是如何工作的，

注意下面粘贴代码/行数都是mini-muduo里的，而非muduo，当然了muduo的实现原理是一样的。

在我们的系统里，使用timerfd作为定时器，实际用到了下面5个函数，其中前两个为timer文件描述专用，后面三个可以用在多种文件描述符上。

int timerfd_create(int clockid, int flags) //创建一个定时器文件
int timerfd_settime(int ufd, int flags, const struct itimerspec * utmr, struct itimerspec * otmr); //设置新的超时时间，并开始计时
int epoll_ctl(_epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev) //将timer文件描述符加入到epoll检测
int epoll_wait(_epollfd, _events, MAX_EVENTS, -1); //在epoll上等待各种文件描述符事件
int close(int fd); //释放掉文件描述符

这5个函数列出的顺序正好也是实际使用定时器过程中调用的顺序。首先通过timerfd_create创建一个Timer文件描述符，然后通过timerfd_settime来设置超时时间，之后将Timer文件描述符加入到epoll的检测，程序通过一个循环等待在epoll_wait上，因为没有Timer到时而导致阻塞。一旦定时器到时，epoll_wait就会返回，我们就可以进行相关处理。(在muduo/mini-muduo里，注册到epoll描绘符和接收epoll_wait()通知都是通过Channel来实现的)

3 看用户是如何使用Timer的，用户要使用网络库的定时器，必须通过EventLoop。EventLoop有三个接口暴露了Timer相关的操作

int runAt(Timestamp when, IRun* pRun); //在指定的某个时刻调用函数
int runAfter(double delay, IRun* pRun); //等待一段时间后，调用函数
int runEvery(double interval, IRun* pRun); //以固定的时间间隔反复调用函数
void cancelTimer(int timerfd); //关闭一个Timer

前3个函数的返回值int是用来唯一确定一个定时器的ID，当需要关闭某个Timer的时候，将ID传递给cancelTimer函数即可。IRun是一个回调接口，在mini-muduo里几乎所有的回调都是通过IRun来完成的。runAt的第一个参数是一个代表时间的Timestamp对象，runAfter和runEvery的第一个参数都是以秒为单位的。

4 详细分析下Timer是怎么实现的，其实EventLoop里只有一个Timer文件描述符，当用户通过上面的3个接口向EventLoop添加的所有定时器，实际都工作在同一个timerfd上，这个是怎么做到的呢？我们来跟踪一下EventLoop::runAt()的实现

100 int EventLoop::runAt(Timestamp when, IRun* pRun)
101 {   
102     return _pTimerQueue->addTimer(pRun, when, 0.0);
103 }

EventLoop::runAt(...)直接调用了TimerQueue::addTimer()

 66 int TimerQueue::addTimer(IRun* pRun, Timestamp when, double interval)
 67 {
 68     Timer* pTimer = new Timer(when, pRun, interval); //Memory Leak !!!
 69     _pLoop->queueLoop(_addTimerWrapper, pTimer);
 70     return (int)pTimer;
 71 }

这里面新建了一个Timer对象，然后就调用了EventLoop::queueLoop(...)，而queueLoop方法的作用就是异步执行(目前只有一个线程，所以只有异步执行的功能)。异步执行了TimerQueue::doAddTimer(...)方法。再来看看doAddTimer方法

 33 void TimerQueue::doAddTimer(void* param)                                   
 34 {   
 35     Timer* pTimer = static_cast(param);                            
 36     bool earliestChanged = insert(pTimer);                                 
 37     if(earliestChanged)                                                    
 38     {   
 39         resetTimerfd(_timerfd, pTimer->getStamp());                        
 40     }                                                                      
 41 } 

这里调用了两个方法，一个是insert(...)，一个是resetTimerfd(...)，在insert(...)里，程序将Timer插入到一个TimerList里，也就是一个std::set>，看上去有点繁琐，其实是一个 时间->Timer 键值对的set，这个set的目的是存放所有未到期的定时器，每当timerfd到时，就从里面取出最近的一个定时器，然后修改timerfd把定时器修改成set里下一个最近的时间，这样实现了只使用一个timerfd来管理多个定时器的功能。insert的返回值是个布尔型，意义是新加入的这个定时器是否否比整个set里所有定时器发生的还要早，如果是的话，就必须立刻修改timerfd，将timerfd的定时时间改成这个最近的定时器。如果新加入的定时器不是set里最先发生的定时器，则不用修改timerfd了。

163 bool TimerQueue::insert(Timer* pTimer)
164 {
165     bool earliestChanged = false;
166     Timestamp when = pTimer->getStamp();
167     TimerList::iterator it = _timers.begin();
168     if(it == _timers.end() || when < it->first)
169     {
170         earliestChanged = true;
171     }
172     pair result
173        = _timers.insert(Entry(when, pTimer));
174     if(!(result.second))
175     {
176         cout << "_timers.insert() error " << endl;
177     }
178 
179     return earliestChanged;
180 }

149 void TimerQueue::resetTimerfd(int timerfd, Timestamp stamp)
150 {
151     struct itimerspec newValue;
152     struct itimerspec oldValue;
153     bzero(&newValue, sizeof(newValue));
154     bzero(&oldValue, sizeof(oldValue));
155     newValue.it_value = howMuchTimeFromNow(stamp);
156     int ret = ::timerfd_settime(timerfd, 0, &newValue, &oldValue);
157     if(ret)
158     {
159         cout << "timerfd_settime error" << endl;
160     }
161 }

几个实现细节：

    细节1：注意定时器容器的选择，也就是TimerQueue里的_timers成员变量，muduo选择了使用二叉搜索树，也就是std::map或者std::set，这两者二选一的过程中，作者最终选择了set，因为同一个时间点下可能有多个定时器，所以直接使用map是不合适的，因为一个pair代表着一个时间，如果直接用map只能保证一个时间点下只对应一个Timer*，这不符合要求，所以作者使用了稍微复杂的类型set> 作为存储定时器的容器。mini-muduo在返回值方面进行了简化，没有像muduo一样返回一个TimerId，而是直接返回了int，其实就是Timer对象的地址。由于在同一个进程里，对象地址是不可能相同的，这样就简单粗暴解决了同样时间下多个定时器的问题。

    细节2：定时器的插入操作，使用insert加入到set后，就自动按照Timestamp排序了，Iterator的begin的first就是所有定时器里最早的那一个。如果要插入新的定时器，有个重要的标志，就是earliestTimerChanged，重要条件作为判断，如果(it == end || when < it.begin.first)条件满足就代表标志改变了。

    细节3：注意Timestamp的运算符重载

 57 bool operator<(Timestamp l, Timestamp r)
 58 {
 59     return l.microSecondsSinceEpoch() < r.microSecondsSinceEpoch();
 60 }
 61 
 62 bool operator==(Timestamp l, Timestamp r)
 63 {
 64     return l.microSecondsSinceEpoch() == r.microSecondsSinceEpoch();
 65 }

    细节4：Timestamp::tostring()方法，要打印64位整数，在32/64平台上可以使用下面的方法

#include 
//跨平台打印方法
printf("%" PRId64 "\n", value);
// 相当于64位的：
printf("%" "ld" "\n", value);
// 或32位的：
printf("%" "lld" "\n", value);

注意要使用PRId64，还要做个小处理，使用宏来包裹#include，所以Timestamp里的代码就写成了下面的样子，有点奇怪。

  5 #define __STDC_FORMAT_MACROS
  6 #include 
  7 #undef __STDC_FORMAT_MACROS

关于__STDC_FORMAT_MACROS宏的问题，可以阅读下后面这篇文章http://blog.163.com/guixl_001/blog/static/4176410420121021111117987/

    细节5：Interval和expiration的名字应该是来源于man timerfd_settime的i解释
    细节6：修改IRun接口，原有的不满足要求，因为不能保存调用参数。同时由于修改了IRun接口，所以在EvenrLoop里添加了Runner类，用于存储回调和参数，原始的_pendingFunctors只能存储回调，参数没地方存。
    细节7：由于还没太读懂muduo的cancelTimers队列所以本版本暂时不实现了。